WO2014076128A2 - Messung einer faserrichtung eines kohlefaserwerkstoffes und herstellung eines objekts in kohlefaserverbundbauweise - Google Patents

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WO2014076128A2
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Stephan Junger
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features

Definitions

  • the present invention relates to a concept for measuring a fiber direction of a carbon fiber material such as for quality inspection and / or further processing and for producing a carbon fiber composite object.
  • a carbon fiber material such as for quality inspection and / or further processing and for producing a carbon fiber composite object.
  • carbon fiber composites are increasingly used to increase the strength of so-called carbon fiber composites.
  • safety critical components of these composites such as e.g. In aircraft, automotive or the like, the correct position and the correct course, ie the direction of the carbon fibers, are of crucial importance for the mechanical strength and load capacity of the finished component.
  • the fiber direction has hitherto been measured or controlled in various ways, namely a) visually by the production personnel, b) by application of markings by the production personnel, detection of the markings by means of a camera system and further processing of the camera images by appropriate software, and c) by recording the carbon fibers with a camera system, the pixel resolution, however, must be so high that the individual carbon fibers are resolved imagewise, so that from the image data using special software, the direction of the carbon fibers can be determined at each location of the image.
  • the solutions a) and b) require the participation of the manufacturing personnel and are therefore due to the known subjective effects poorly reproducible and error-prone. In addition, the solutions are time-consuming and therefore expensive. A completely automated test is not possible.
  • the solution c) requires a comparatively high pixel resolution of the camera used. In addition to the higher costs for a camera with high resolution, higher image numbers result in more image data, which increases at the same frame rate. rer image transfer speed and higher computing power for the image analysis lead. Higher data rate and high computing power in turn lead to higher costs. In other words, this means that at a certain cost, the test speed is limited. Ultimately, this means that the allowable costs determine the test speed for testing a certain area of a carbon fiber composite component.
  • the object of the present invention is therefore to provide a concept for measuring a fiber direction of a carbon fiber material and a concept for producing a carbon fiber composite object with improved characteristics.
  • the present invention makes use of the knowledge that it is possible to detect the fiber direction of a carbon fiber material of an object to be tested on the basis of the polarization direction of a light reflected from the object to be tested. For example, when unpolarized light strikes carbon fibers, the light reflected from the fibers is polarized in the fiber direction.
  • the wavelength of the light is for example in a range of 400 to 1000 nanometers.
  • a polarization-sensitive camera is accordingly used as a polarization sensor, which receives the object to be tested in order to obtain a spatially resolved detection of the polarization direction and thus a spatially resolved scanning of the fiber direction.
  • the resolution of the polarization-sensitive camera is sufficient to optically dissolve the fibers.
  • the spatial resolution of the polarization Onssensitiven camera in the object plane of the lens of the camera would be lower than necessary to resolve the structure of the fibers on the surface of the carbon fiber material, ie the pixel pitch in the object plane of the lens may be greater than, for example, the fiber radius.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a device for measuring a
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of a polarization-sensitive camera acting as a polarization sensor according to an exemplary embodiment
  • Fig. 3 shows a block diagram of a system for producing a carbon fiber composite object according to an embodiment.
  • Fig. 1 shows an apparatus for measuring a fiber direction of a carbon fiber material of an object to be tested according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon fiber material may, for example, be a carbon fiber fabric, as symbolized in FIG. 1 by the cross hatching. However, it can also be a carbon fiber composite material.
  • the object 10 to be tested of the carbon fiber material is, for example, a sheet of carbon fiber fabric intended, for example, to be applied to one or more other carbon fiber layers after measurement to form a carbon fiber composite result. For this it is just important to know the fiber directions of the carbon fiber material.
  • the fiber direction can also be required for other reasons.
  • FIG. 1 shows an apparatus for measuring a fiber direction of a carbon fiber material of an object to be tested according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon fiber material may, for example, be a carbon fiber fabric, as symbolized in FIG. 1 by the cross hatching.
  • a view of a front side 14 of the object 10 to be tested and its carbon fiber material is shown by way of example in the dashed magnification 12.
  • fiber bundles 16 are interwoven into a fabric 18.
  • the object may already be a stack of aforesaid carbon fiber sheets - with or without a plastic matrix, a cured or uncured one, i. a product or intermediate made of carbon fiber composite material.
  • the device for measuring the fiber direction of the carbon fiber material 18 of the object 10 to be tested of FIG. 1 is indicated generally at 20 and comprises a light source 22, a polarization sensor 24 and optionally a computer 26 and optionally a monitor 28.
  • the light source 22 is adapted to illuminate the object 10 to be tested.
  • the polarization sensor 24 is designed to detect a polarization direction of a light reflected from the object 10 to be tested, ie in particular the light with which the object to be examined was illuminated by the light source 22 and which is then reflected in the polarization sensor 24, wherein the Polarization direction indicates the fiber direction of the object 10 at the illuminated front side 14.
  • the light source 22 When set up, therefore, the light source 22 is aligned so that it illuminates the object 10 to be tested.
  • the light 30 emitted by the light source 22 is unpolarized, for example. It is, for example, a halogen lamp, Glühemissions- lamp, LED or the like.
  • several lamps of the same or different kind can illuminate the object 10 from different directions, or illumination from several directions can be realized by means of other devices such as mirrors, optical fibers or the like, i. the light source may comprise a plurality of lamps and / or additional light guiding means, e.g.
  • the light spectrum of the light 30, such as its mean wavelength is, for example, in the range of 400 to 1000 nm.
  • the light source 22 may be a broadband or narrowband light source. It is also possible to use a monochromatic light source 22. Preferably, a half width of the spectrum of the light source 22 is in a range less than or equal to 100 nm.
  • the favorable property of the carbon fiber material 18 has a positive effect, after which the latter has a polarizing effect on the light which strikes it.
  • the light 30 is polarized along a polarization direction that extends along the fiber direction on the illuminated surface 14.
  • the enlarged section 12 which shows a plan view of a section of the surface 14 of the object 10 from the direction of the polarization sensor 24, this is illustrated by way of example for two different points A and B of the object to be tested.
  • the light 32 reflected at the point A and incident on the polarization sensor 24 has a polarization direction 34 A which is parallel to the fiber direction 36 A of the fiber bundle 16 which traverses the point A.
  • the fiber direction 36B and thus also the polarization direction 34B running parallel thereto run in another direction Direction, namely perpendicular to the direction 36A or 34 A , as the point B is exemplary of another fiber bundle 16.
  • the polarization sensor 24 may be one which measures the pointwise direction of the grain of the carbon fiber material 10 via the polarization direction of the light 32 reflected at this point, or a line or area sensor or a polarization-sensitive camera.
  • a manipulator or a robot could be used to scan through the spot scanned by the polarization sensor 24, from which reflected light passes through Polarization sensor 24 is detected, laterally to shift or to vary, and thus to obtain at different locations A and B corresponding fiber direction measurements.
  • FIG. 2 shows that the polarization sensor 24 may be a polarization-sensitive camera.
  • the polarization-sensitive camera 24 comprises a pixel array 38 and an objective 40 for imaging the object 10 to be inspected onto the pixel array 38.
  • pixel arrays 38 may be grouped into superpixel 46 such that superpixels 46 each have pixels 44 of pixel array 38 that are sensitive to differently polarized light, ie at least a first pixel for a first polarization direction and a second pixel for a second , to different polarization direction.
  • FIG. 1 shows that the polarization sensor 24 may be a polarization-sensitive camera.
  • the polarization-sensitive camera 24 comprises a pixel array 38 and an objective 40 for imaging the object 10 to be inspected onto the pixel array 38.
  • pixel arrays 38 may be grouped into superpixel 46 such that superpixels 46 each have pixels 44 of pixel array 38 that are sensitive to differently polarized light, ie at least a first pixel for a first polarization
  • each superpixel 46 has, for example, four pixels 44 that are sensitive to directions of polarization that are spaced from each other with 45 ° angle differences.
  • a different number of pixels with different polarization sensitivity is also possible, as well as a non-equiangular distribution of the polarization directions of these pixels.
  • the pixels are regularly arranged in rows and columns, in another regular array, or irregularly arranged, and whether the arrangement of the pixels within the super pixels 46 is the same is or whether the arrangement of the pixels sensitive to the different polarization directions within the super pixels 46 varies across the pixel array 38.
  • the super pixels 46 are not regularly arranged in the row and column direction, but the same could also be arranged differently regularly or irregularly.
  • the scan by the polarization sensor 24 is not limited to a spot or area scan as described above. Also conceivable would be a line-by-line or one-dimensional scan of the fiber direction of the Carbon fiber material of the object to be tested 10 on the illuminated front side 14. Again, a relative movement between the object 10 and polarization sensor 24 could be used to arrive at a total of a two-dimensional scan of the fiber direction.
  • the polarization sensor 24 could also include a filtering system for converting, from the reflected light 32, the light of a particular wavelength, e.g. to filter out the light of a wavelength in the aforementioned range between 400 to 1000 nm.
  • the pixel array 38 could comprise an array of photosensitive areas over which again is an array of filter structures, such that each photosensitive area together with a filter structure will yield one pixel.
  • the filter structures arranged upstream of the individual light-sensitive areas could be, for example, lattice structures. In particular, it would be possible for the filter structures to have features of dimensions that are in the sub-wavelength range, i. smaller than the wavelength of the light 30.
  • the filter structures could have characteristics of a photonic crystal.
  • Photosensitive areas and filter structures could be integrated together in one chip.
  • the photosensitive areas could, for example, be formed by a photodiode array, a CCD array or a CMOS pixel array.
  • a polarization sensor is described for example in DE 102008014334.
  • the polarization sensor 24 could also be made from a commercially available CCD or CMOS image sensor, i. a polarization-insensitive sensor, i. Single, line or image sensor, and arranged between the sensor and the object 10 device for continuous or stepwise rotation of the polarization direction of the light 32 are made, i. a polarization filter whose transmission polarization direction is varied over time.
  • the device for rotating the polarization direction of the light or the polarization filter with varying skillsloupolarisationsraum makes it possible successively, ie temporally sequentially, to take multiple images and to compensate each other in a suitable manner, in order to the local polarization angle at each point of the surface 14 win.
  • the device 20 may optionally include a computer 26 and a display device 28.
  • the computer 26 can be provided, for example, to convert the pixel values of the superpixels in the case of the embodiment of the polarization sensor 24 as area sensor into suitable scalar values, namely one or more per superpixel, which among other things is a measure of the local polarization angle of the reflected light 32 are at the superpixel assigned location of the surface 14 and the fiber direction at this location.
  • the location-dependent triggered scanning of the fiber direction to be displayed in color coded form.
  • the computer 26 or a program running therein could also control the aforementioned optional manipulator 48 for generating a relative movement between the object 10 and the polarization sensor 24.
  • the computer 26 could also act as a controller which determines the fiber direction of the carbon fiber material of the object 10 determined via the polarization sensor 24 and position information about the object 10 the orientation of the fiber direction of the object 10 with respect to the shape of the object 10 determined and depending on this orientation controls a manipulator that holds the object.
  • the controller can control a manipulator for holding and changing the position of the object to control a manipulator for nesting the object and another object such that, when juxtaposed, the fiber direction relative to the other has a predetermined orientation and / or determines orientation of the fiber direction relative to a shape of the object 10 depending on location information about a location of the object 10 relative to the polarization sensor 24 and the fiber direction of the object ,
  • the abutment could be done so that the side 14 abutted against the other object, for example, so that the fiber direction to an excellent preferred direction of the corresponding facing side of the other object, such.
  • said manipulator could also be the one that holds the object at the position defined by the position information at the moment of detection of the polarization direction and thus the fiber direction.
  • FIG. 3 shows a system for producing a carbon fiber composite object 50 according to one embodiment.
  • the system illustrated generally at 52, utilizes the apparatus 20 of FIG. 1 and a manipulator or robot 54.
  • the apparatus 20 performs the measurement of a fiber direction of carbon fiber sheets 56 as described.
  • the robot 54 is configured to do so to disassemble the carbon fiber layers 56 by adjusting the carbon fiber directions thereof as measured by the device 20 so as to give the object 50 in this manner.
  • a controller may be provided which controls the robot 54 and evaluates the carbon fiber directions determined via the polarization direction of the reflected light.
  • the controller 58 would, for example, control the manipulator or robot 50 so that the device 20 can determine the fiber direction of the carbon fiber layer 56, ie that the object 10 is illuminated and is in the sights of the polarization sensor 24. Under this knowledge of the position of the object relative to the polarization sensor upon detection of the polarization direction and detected polarization direction, the controller 58 would then gain knowledge of an orientation of the fiber direction relative to a shape of the object 10 and could for example control the robot 54 such that the Current carbon fiber layer 56 is placed on already superposed other carbon fiber layers 60 so that the fiber direction of the currently aufbrinussiden carbon fiber layer 56 with the fiber direction of the currently exposed carbon fiber layer has a predetermined angle, for example, leads to a particularly stable shape of the object 50.
  • the object 50 is, for example, as indicated in FIG. 3, the hull of a ship or a part of an aircraft body or a part of a motor vehicle.
  • a device 60 indicated in FIG. 3 with the dashed boxes 60 and optionally likewise controlled by the control 58 could be provided with plastic for the carbon fiber layers, so that the carbon fiber layers, after curing of the plastic in the plastic, the so-called matrix, are embedded.
  • the provision of the carbon fiber layers with the plastic can be done individually before the respective laying of the respective layer, individually after each application of the respective carbon fiber layer or for several carbon fiber layers together in one step after their stacking.
  • the advantage of the above exemplary embodiments is the immediate receipt of the information about the fiber direction, without having to rely on pattern recognition or the like.
  • the measured polarization direction immediately gives the fiber direction at the respective location of the object to be tested and the measurement can therefore be carried out quickly and reliably and in particular does not delay the production in the case of FIG. 3.
  • the above embodiments are based on the fact that carbon fibers have the property of partially reflecting incident, generally unpolarized light and thereby polarizing it parallel to the fiber longitudinal direction.
  • This property of polarizing behavior is used in the above embodiments to determine the fiber direction.
  • a pictorial measurement of the polarization is used.
  • the light reflected from the carbon fibers, such as a carbon fiber fabric is analyzed with respect to the direction of polarization direction.
  • the apparatus may be suitable for imagewise, two-dimensional detection and analysis of the polarized light, as described with reference to Figure 2, which shows a polarization-sensitive camera or "polarization camera.”
  • the object of carbon fiber to be tested is illuminated by a suitable light source, with a polarizing camera directed at the object
  • the direction of polarization of the reflected light as measured by the camera at each location of the object directly indicates the direction of the carbon fiber at that location
  • Wavelength of the light may, for example, be in the range of 400 to 1000 nm
  • the fibers themselves tend to direct the light in the fiber longitudinal direction and the camera only has to be able to analyze the polarization in a spatially resolved manner.
  • the pixel resolution of the camera may be significantly lower than in the case of the method according to c) mentioned in the description of the present application.
  • a larger area of carbon fibers can be checked at the same time, resulting in a higher piece count in the unit inspection and thus lower unit costs.
  • Another aspect is the fact that the detection of the fiber direction is based on physical laws rather than software calculations, which makes detection of the fiber direction much safer. This applies in particular to plastic-impregnated fabric, in which the previous method c) from the introduction to the description works relatively poorly and inaccurately.
  • the above embodiments can be used in a wide variety of technical areas. It would be conceivable, for example, to use it in lightweight construction, where carbon fibers are processed into so-called CFRP (carbon fiber reinforced plastics) and the quality of the products has to be ensured. Examples are just the aerospace industry, the automotive industry, wind turbines etc.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step , Similarly, aspects described in connection with or as a method step also provide a description of a corresponding block or method
  • Some or all of the method steps may be performed by a hardware device (or using a hardware device), such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.
  • the computer 26 in Fig. 1 or other processing means displays the obtained polarization direction two-dimensionally in a projection along the direction along which the reflected direction is directed to the polarization sensor 24, ie, for example in the plane parallel to the image plane of the camera, determines a three-dimensional fiber direction or a fiber direction in a surface parameterization of the surface 14 of the object 10 by assigning the detected polarization direction a location in a parameterization of the surface 14 of the object 10 and determines the fiber direction to be tangent to the surface 14 and in the plane subtended by the direction of the reflected light and the particular polarization direction.
  • the surface 14 - for example, at least at the currently scanned location - is oriented substantially perpendicular to the direction of the reflected light.
  • the above embodiments have heretofore concentrated on the measurement of fiber directions and the utilization of the knowledge gained thereby for purposes of handling alignment of the object with other objects. However, it is additionally or alternatively possible to use the knowledge for other purposes, such as for quality control purposes.
  • the polarizing effect of carbon fibers on reflected light can be used to check the direction of the carbon fibers during the manufacture of carbon fiber reinforced components and to compare them with given values. This test can be carried out not only on intermediate products, such as the individual carbon fiber layers, but also on finished components. In particular, it can be checked whether the angles of the carbon fibers in the component at each point of the component have a prescribed value, or whether the mutual orientation of the fibers in a fabric at any point has a prescribed angle value.
  • the computer 26 could also function as an analyzer, such as by appropriate software running thereon, and the device 20 could represent a quality measurement device.
  • the analyzer could check whether the determined fiber direction meets a predetermined condition to yes, classify the object 10 as of sufficient quality and, if not, classify the object 10 as of insufficient quality.
  • the analyzer may cause a manipulator to transport the object 10 to a location A for scrap objects or to a location B, such as an assembly location.
  • the check of whether the predetermined condition is satisfied provides for a comparison of the fiber direction at a position of the surface 14 of the object with an adjacent position, e.g. checking that the angle between both directions is in a predetermined angular range.
  • the evaluation can also be done statistically: a histogram of fiber directions at scanned positions of the surface of the object is created and statistically checked. For example, two modes are determined and checked as to whether the angular separation between the two modes is in a predetermined range.
  • the check of whether the predetermined condition is met could additionally or alternatively involve a characteristic surface direction of the object 10, such as e.g. an edge, a main curvature or a circumference of the surface 14.
  • the characteristic surface direction could be detected automatically by the analysis device by pattern recognition.
  • the automatic detection could be carried out in particular on the basis of a polarization-independent recording of the object 10. In the case of using a camera as part of the polarization sensor 24, this is readily possible.
  • the light source is not part of the device or of the system, but is optionally part of the environment. In other words, the ambient light itself could be used.
  • the evaluation of the polarizing effect could nevertheless be performed over a wavelength range, e.g.
  • the passband of the spectral filter could thus be in the range between 400 and 1000 nm and have a half-value width of less than or equal to 100 nm.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. This is especially true for the above-mentioned processing equipment, controllers, analyzers, etc.
  • the Implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or other magnetic or optical memory are stored on the electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can, for example, also be stored on a machine-readable carrier.
  • inventions include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
  • an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals may, for example, be configured to be transferred via a data communication link, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed for performing any of the methods described herein.
  • Another embodiment according to the invention comprises a device or system adapted to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver.
  • the transmission can be done for example electronically or optically.
  • the receiver may be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device.
  • the device or system may include a file server for transmitting the computeogram to the recipient.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device.
  • This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
  • CPU computer processor
  • ASIC application specific integrated circuit

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Abstract

Die Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objektes wird anhand der Polarisationsrichtung eines von dem zu prüfenden Objekt reflektierten Lichts erkannt. Trifft beispielsweise unpolarisiertes Licht auf Kohlefasern bzw. Carbonfasern, so ist das von den Fasern reflektierte Licht in Faserrichtung polarisiert.

Description

Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes und Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes wie zum Beispiel zur Qualitätsprüfung und/oder Weiterverarbeitung und für eine Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise. Im modernen Leichtbau werden zunehmend Kohlefasern zur Erhöhung der Festigkeit sogenannter Kohlefaserverbundwerkstoffe eingesetzt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen aus diesen Verbundwerkstoffen, wie z.B. im Flugzeugbau, Automobilbau oder dergleichen, sind die korrekte Lage und der korrekte Verlauf, also die Richtung der Kohlefasern, von entscheidender Bedeutung für die mechanische Festigkeit und Belastbarkeit des fertigen Bauteils. An jedem Punkt bzw. an allen relevanten Punkten des Werkstücks ist es nötig, den Faserverlauf bzw. den Winkel, in dem die Kohlefasern liegen, mit einer bestimmten Genauigkeit zu messen. Üblicherweise werden bei der Fertigung mehrere Lagen von Kohlefasergeweben nacheinander übereinander geschichtet und jeweils mit speziellen Kunststoffen getränkt und ausgehärtet. Jede dieser Lagen muss hinsichtlich des Faserver- laufs qualifiziert werden. Da die Kohlefaserlagen für sichtbares Licht nicht transparent sind, muss die Prüfung der Faserrichtung für jede Lage einzeln jeweils nach dem Aufbringen dieser Lage durchgeführt werden.
Die Faserrichtung wird bisher auf verschiedene Weise gemessen bzw. kontrolliert, nämlich a) visuell durch das Fertigungspersonal, b) durch Aufbringen von Markierungen durch das Fertigungspersonal, Erfassung der Markierungen mittels eines Kamerasystems und Weiterverarbeitung der Kamerabilder durch eine entsprechende Software, und c) durch Aufnahme der Kohlefasern mit einem Kamerasystem, dessen Pixelauflösung allerdings so hoch sein muss, dass die einzelnen Kohlefasern bildhaft aufgelöst werden, so dass aus den Bilddaten mittels einer speziellen Software die Richtung der Kohlefasern an jedem Ort des Bildes bestimmt werden kann.
Die Lösungen a) und b) bedürfen der Mitwirkung des Fertigungspersonals und sind daher aufgrund der bekannten subjektiven Effekte schlecht reproduzierbar und fehleranfällig. Außerdem sind die Lösungen zeitintensiv und damit teuer. Eine vollständig automatisierte Prüfung ist nicht möglich. Die Lösung c) benötigt eine vergleichsweise hohe Pixelauflösung der verwendeten Kamera. Neben den höheren Kosten für eine Kamera mit hoher Auflösung entstehen bei hohen Pixelzahlen mehr Bilddaten, die bei gleicher Bildrate zu höhe- rer Bildübertragungsgeschwindigkeit sowie höherer Rechenleistung für die Bildauswertung führen. Höhere Datenrate und hohe Rechenleistung führen wiederum zu höheren Kosten. Andersherum betrachtet bedeutet dies, dass bei einem bestimmten Kostenaufwand die Prüfgeschwindigkeit limitiert ist. Letztlich heißt das, dass für die Prüfung einer bestimmten Fläche eines Kohlefaserverbundbauteils die zulässigen Kosten die Prüfgeschwindigkeit bestimmen. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass die Faserrichtung per Software aus den Bilddaten errechnet werden muss. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse hängt also wesentlich von der Qualität der Software ab. Insbesondere bei mit Kunststoff getränktem Gewebe ist die Erkennung der Faserrichtung zudem deutlich ungenauer und weniger zuverlässig als bei ungetränktem, sogenanntem„textilem" Gewebe.
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zur Messung der Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes oder ein Konzept zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise, das obige Nachteile überwindet bzw. eine kostengünstigere Herstellung bei gleicher Qualität bzw. Genauigkeit ermöglicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Konzept zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes sowie ein Konzept zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der beigefügten unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass es möglich ist, die Faserrichtung ei- nes Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objektes anhand der Polarisationsrichtung eines von dem zu prüfenden Objekt reflektierten Lichts zu erkennen. Trifft beispielsweise unpolarisiertes Licht auf Kohlefasern bzw. Carbonfasern, so ist das von den Fasern reflektierte Licht in Faserrichtung polarisiert. Die Wellenlänge des Lichts liegt beispielsweise in einem Bereich von 400 bis 1000 Nanometern.
Es ist möglich, die Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes, wie z.B. eines Kohlefasergewebes oder eines Kohlefaserverbundwerkstoffes, mittels der Polarisation von Licht bildhaft zu vermessen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird demgemäß als Polarisationssensor eine polarisationssensitive Kamera verwendet, die das zu prüfende Objekt auf- nimmt, um eine ortsaufgelöste Erfassung der Polarisationsrichtung und damit eine ortsaufgelöste Abtastung der Faserrichtung zu erhalten. Vorteilhafterweise ist es dazu nicht notwendig, dass die Auflösung der polarisationssensitiven Kamera ausreicht, um die Fasern optisch aufzulösen. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Ortsauflösung der polarisati- onssensitiven Kamera in der Objektebene des Objektivs der Kamera niedriger sein als notwendig wäre, um die Struktur der Fasern an der Oberfläche des Kohlefaserwerkstoffes aufzulösen, d.h. der Pixel wiederholabstand in der Objektebene des Objektivs kann größer sein als beispielsweise der Faserradius.
Vorteilhafte Implementierungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren näher erläutert, unter welchen Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung einer
Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 eine schematische Zeichnung einer als Polarisationssensor fungierenden polarisationssensitiven Kamera gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Systems zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung einer Faserrichtung eines Kohlefaserwerkstoffes eines zu prüfenden Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Kohlefaserwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein Kohlefasergewebe handeln, wie es in Fig. 1 durch die Kreuzschraffur versinnbildlicht ist. Allerdings kann es sich auch um einen Kohlefaserverbundwerkstoff handeln. In Fig. 1 handelt es sich bei dem zu prüfenden Objekt 10 aus dem Kohlefaserwerkstoff beispielsweise um eine Lage bzw. ein Laminat aus Kohlefasergewebe, das beispielsweise dazu vorgesehen ist, nach Vermessung auf eines oder mehrere andere Kohlefaserlagen angelegt zu werden, um zusammen einen Kohlefaserverbund zu ergeben. Hierzu ist es eben wichtig, die Faserrichtungen des Kohlefaserwerkstoffes zu kennen. Die Faserrichtung kann aber auch aus anderen Gründen benö- tigt sein. In Fig. 1 ist exemplarisch in der gestrichelten Vergrößerung 12 eine Aussicht auf eine Vorderseite 14 des zu prüfenden Objekts 10 und dessen Kohlefaserwerkstoff gezeigt. Darin sind Faserbündel 16 zu einem Gewebe 18 miteinander verwoben. Alternativ kann es sich bei dem Objekt bereits um einen Stapel von vorgenannten Kohlefaserlagen - mit oder ohne Kunststoffmatrix, und zwar einer ausgehärteten oder noch unausgehärteten, handeln, d.h. um ein Produkt oder Zwischenprodukt aus Kohlefaserverbundwerkstoff.
Die Vorrichtung zur Messung der Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes 18 des zu prüfenden Objekts 10 von Fig. 1 ist allgemein mit 20 angezeigt und umfasst eine Lichtquelle 22, einen Polarisationssensor 24 und optional einen Computer 26 sowie optional einen Monitor 28. Die Lichtquelle 22 ist dazu ausgebildet, das zu prüfende Objekt 10 zu beleuchten. Der Polarisationssensor 24 ist dazu ausgebildet, eine Polarisationsrichtung eines von dem zu prüfenden Objekts 10 reflektierten Lichtes zu erfassen, also insbesondere des Lichts, mit dem das zu prüfende Objekt durch die Lichtquelle 22 beleuchtet wurde und das dann in den Polarisationssensor 24 reflektiert wird, wobei die Polarisationsrichtung die Faserrichtung des Objekts 10 an dessen beleuchteten Vorderseite 14 angibt.
Im aufgebauten Zustand ist also die Lichtquelle 22 so ausgerichtet, dass sie das zu prüfen- de Objekt 10 ausleuchtet. Das von der Lichtquelle 22 ausgestrahlte Licht 30 ist beispielsweise unpolarisiert. Es handelt sich beispielsweise um eine Halogenlampe, Glühemissions- lampe, LED oder dergleichen. Es können auch gleichzeitig mehrere Lampen gleicher oder unterschiedlicher Art aus verschiedenen Richtungen das Objekt 10 beleuchten, oder mithil- fe anderer Vorrichtungen wie Spiegel, Lichtleitfasern oder dergleichen eine Beleuchtung aus mehreren Richtungen realisiert sein, d.h. die Lichtquelle kann mehrere Lampen und/oder zusätzliche Lichtführungseinrichtungen, wie z.B. Spiegel etc., aufweisen, um eine Beleuchtung des Objekts 10 aus unterschiedlichen Richtungen zu realisieren und um dadurch zu einer vollständigeren Ausleuchtung der von dem Polarisationssensor 24 abgetasteten bzw. letzterem zugewandten Oberfläche 14 zu gelangen, also unter Vermeidung von Abschattungen usw. Das Lichtspektrum des Lichts 30, wie z.B. dessen mittlere Wellenlänge, liegt beispielsweise in dem Bereich von 400 bis 1000 nm. Insbesondere kann es sich bei der Lichtquelle 22 um eine breit- oder schmalbandige Lichtquelle handeln. Es ist auch möglich, eine monochromatische Lichtquelle 22 zu verwenden. Vorzugsweise liegt eine Halbwertsbreite des Spektrums der Lichtquelle 22 in einem Bereich kleiner als oder gleich lOOnm.
Sobald das Licht 30 auf das zu prüfende Objekt 10 trifft, macht sich die günstige Eigenschaft des Kohlefaserwerkstoffes 18 positiv bemerkbar, wonach letzteres polarisierend für das auf dasselbe treffende Licht wirkt. Insbesondere ist das Licht 30 nach seiner Reflektion an dem Kohlefaserwerkstoff des zu prüfenden Objekts 10 entlang einer Polarisationsrichtung polarisiert, die entlang der Faserrichtung an der beleuchteten Oberfläche 14 verläuft. In dem vergrößerten Ausschnitt 12, das eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Oberfläche 14 des Objekts 10 aus der Richtung des Polarisationssensors 24 zeigt, ist dies exemplarisch für zwei unterschiedliche Stellen A und B des zu prüfenden Objekts veranschau- licht. Das an der Stelle A reflektierte und auf den Polarisationssensor 24 treffende Licht 32 weist eine Polarisationsrichtung 34A auf, die parallel zu der Faserrichtung 36A des Faserbündels 16 verläuft, das die Stelle A quert. An der Stelle B verläuft die Faserrichtung 36B und somit auch die parallel dazu verlaufende Polarisationsrichtung 34B in einer anderen Richtung, nämlich senkrecht zur ichtung 36A bzw. 34A, da die Stelle B exemplarisch an einem anderen Faserbündel 16 liegt.
Bei dem Polarisationssensor 24 kann es sich um einen solchen handeln, der lediglich punktweise die Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes 10 über die Polarisationsrichtung des an diesem Punkt reflektierten Lichts 32 misst oder um einen Zeilen- oder Flächensensor bzw. eine polarisationssensitive Kamera. In dem erstgenannten Fall könnte, falls gewünscht, zur ortsaufgelösten Abtastung der Faserrichtung beispielsweise ein Manipulator bzw. ein Roboter (nicht gezeigt) verwendet werden, um durch den durch den Polarisa- tionssensor 24 abgetasteten Punkt bzw. Ort, von dem aus reflektiertes Licht durch den Polarisationssensor 24 erfasst wird, lateral zu verschieben bzw. zu variieren, und somit an unterschiedlichen Stellen A und B entsprechende Faserrichtungsmessungen zu erhalten.
Fig. 2 zeigt, dass es sich bei dem Polarisationssensor 24 um eine polarisationssensitive Kamera handeln kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die polarisationssensitive Kamera 24 ein Pixelarray 38 und ein Objektiv 40 zum Abbilden des zu prüfenden Objekts 10 auf das Pixelarray 38. Wie es in der vergrößerten Draufsicht 42 auf das Pixelarray 38 in Fig. 2 gezeigt ist, können die Pixel 44 des Pixelarrays 38 beispielsweise in Superpi- xel 46 gruppiert sein, so dass die Superpixel 46 jeweils Pixel 44 des Pixelarrays 38 aufwei- sen, die für unterschiedlich polarisiertes Licht sensitiv sind, also zumindest ein erstes Pixel für eine erste Polarisationsrichtung und ein zweites Pixel für ein zweite, dazu unterschiedliche Polarisationsrichtung. Fig. 2 stellt exemplarisch dar, dass jedes Superpixel 46 beispielsweise vier Pixel 44 aufweist, die zu Polarisationsrichtungen sensitiv sind, die untereinander mit 45°- Winkeldifferenzen voneinander beabstandet sind. Eine andere Anzahl von Pixeln mit unterschiedlicher Polarisationssensitivität ist natürlich ebenfalls möglich, ebenfalls wie eine nicht äquiangulare Verteilung der Polarisationsrichtungen dieser Pixel. Es sei darauf hingewiesen, dass es nicht wesentlich ist, ob, wie in Fig. 2 dargestellt, die Pixel regelmäßig in Zeilen und Spalten, in einer anderen regelmäßigen Anordnung oder unregelmäßig angeordnet sind, und ob wiederum die Anordnung der Pixel innerhalb der Superpixel 46 gleich ist, oder ob die Anordnung des für die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen sensitiven Pixel innerhalb der Superpixel 46 über das Pixelarray 38 hinweg variiert. Ebenso ist es auch möglich, dass die Superpixel 46 nicht in Zeilen- und Spaltenrichtung regelmäßig angeordnet sind, sondern selbige könnten auch anders regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein.
Die Abtastung durch den Polarisationssensor 24 ist nicht auf eine punktmäßige oder flächenmäßige Abtastung, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, beschränkt. Denkbar wäre auch eine zeilenweise bzw. eindimensionale Abtastung der Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffes des zu prüfenden Objekts 10 an der beleuchteten Vorderseite 14. Auch hier könnte eine Relativbewegung zwischen Objekt 10 und Polarisationssensor 24 verwendet werden, um insgesamt zu einer zweidimensionalen Abtastung der Faserrichtung zu gelangen.
Der Polarisationssensor 24 könnte zudem ein Filtersystem aufweisen, um aus dem reflektierten Licht 32 das Licht einer bestimmten Wellenlänge, wie z.B. das Licht einer Wellenlänge in dem vorerwähnten Bereich zwischen 400 bis 1000 nm, herauszufiltern. Das Pi- xelarray 38 könnte beispielsweise ein Array aus lichtempfindlichen Bereichen aufweisen, über welchem sich wiederum ein Array aus Filterstrukturen befindet, so dass jeder lichtempfindliche Bereich zusammen mit einer Filterstruktur ein Pixel ergibt. Die den einzelnen lichtempfindlichen Bereichen vorgeschalteten Filterstrukturen könnten beispielsweise Gitterstrukturen sein. Insbesondere wäre es möglich, dass die Filterstrukturen Strukturelemente mit Abmessungen aufweisen, die im Subwellenlängenbereich liegen, d.h. kleiner als die Wellenlänge des Lichts 30. Die Filterstrukturen könnten Eigenschaften eines photonischen Kristalls aufweisen. Lichtempfindliche Bereiche und Filterstrukturen könnten zusammen in einem Chip integriert sein. Die lichtempfindlichen Bereiche könnten beispielsweise durch ein Photodiodenarray, ein CCD-Array oder ein CMOS-Pixel-Array gebildet sein. Ein solcher Polarisationssensor wird beispielsweise in der DE 102008014334 beschrieben.
Der Polarisationssensor 24 könnte auch aus einem handelsüblichen CCD- oder CMOS- Bildsensor, d.h. einem polarisationsunempfindlichen Sensor, d.h. Einzel-, Zeilen- oder Bildsensor, und einer zwischen dem Sensor und dem Objekt 10 angeordneten Vorrichtung zur stetigen oder stufen weisen Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts 32 bestehen, d.h. einem Polarisationsfilter, dessen Durchlasspolarisationsrichtung zeitlich variiert wird. Die Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts bzw. der Polarisationsfilter mit variierender Durchlasspolarisationsrichtung ermöglicht es, nacheinander, also zeitlich sequentiell, mehrere Bilder aufzunehmen und diese miteinander in geeigneter Weise zu verrechnen, um auf diese Weise den lokalen Polarisationswinkel an jeder Stelle der Oberfläche 14 zu gewinnen.
Wie es in Fig. 1 gezeigt wurde, kann die Vorrichtung 20 optional einen Computer 26 und eine Anzeigevorrichtung 28 aufweisen. Der Computer 26 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, die Pixelwerte der Superpixel in dem Fall der Ausgestaltung des Polarisations- sensors 24 als Flächensensor in geeignete skalare Werte, nämlich einem oder mehrere pro Superpixel, umzuwandeln, die u. a. ein Maß für den lokalen Polarisationswinkel des reflektierten Lichts 32 an dem dem Superpixel zugeordneten Ort der Oberfläche 14 bzw. die Faserrichtung an diesem Ort sind. Auf der Anzeigevorrichtung könnte dann die ortsaufge- löste Abtastung der Faserrichtung farbcodiert angezeigt werden. Der Computer 26 bzw. ein darin ablaufendes Programm könnte ferner den vorerwähnten optional vorhandenen Manipulator 48 zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Objekt 10 und Polarisationssensor 24 ansteuern.
Der Computer 26 könnte insbesondere auch als eine Steuerung fungieren, die die aus der via den Polarisationssensor 24 ermittelten Faserrichtung des Kohlefaserwerkstoffs des Objekts 10 und Lageinformationen über das Objekt 10 die Orientierung der Faserrichtung des Objekts 10 in Bezug zu der Form bzw. Gestalt des Objekts 10 bestimmt und abhängig von dieser Orientierung einen Manipulator ansteuert, der das Objekt hält. Anders ausgedrückt kann die Steuerung abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts 10 relativ zu dem Polarisationssensor 24 und der Faserrichtung des Objekts einen Manipulator zum Halten und Verändern der Lage des Objekts steuern, einen Manipulator zum Aneinander- legen des Objekts und eines anderen Objekts zu steuern, so dass im aneinandergelegten Zustand die Faserrichtung relativ zu dem anderen eine vorbestimmte Orientierung aufweist und/oder abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts 10 relativ zu dem Polarisationssensor 24 und der Faserrichtung des Objekts eine Orientierung der Faserrichtung relativ zu einer Gestalt des Objekts 10 bestimmen. Das Aneinanderlegen könnte so geschehen, dass die Seite 14 im aneinandergefügten Zustand am anderen Objekt anliegt und zwar beispielsweise so, dass die Faserrichtung zu einer ausgezeichneten Vorzugsrichtung der entsprechenden zugewandten Seite der anderen Objekts, wie z.B. ebenfalls einer Kohlefaserrichtung eine vorbestimmte Richtungsbeziehung aufweist, wie z.B. quer dazu verläuft. Natürlich könnte vorerwähnter Manipulator auch derjenige sein, der das Objekt an der durch die Lageinformationen definierten Lage im Augenblick der Erfassung der Polarisationsrichtung und damit der Faserrichtung hält. Im Folgenden wird dafür ein Beispiel im Rahmen eines Herstellungssystems beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein System zur Herstellung eines Objekts 50 in Kohlefaserverbundbauweise gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System, das allgemein mit 52 angezeigt ist, ver- wendet bzw. umfasst die Vorrichtung 20 aus Fig. 1 sowie einen Manipulator oder Roboter 54. Die Vorrichtung 20 übernimmt wie beschrieben die Messung einer Faserrichtung von Kohlefaserlagen 56. Der Roboter 54 ist dazu ausgebildet, die Kohlefaserlagen 56 unter Justage der Kohlefaserrichtungen derselben zueinander gemäß der Messung durch die Vorrichtung 20 auseinanderzulegen, um auf diese Weise das Objekt 50 zu ergeben. Beispiels- weise kann eine Steuerung vorgesehen sein, die den Roboter 54 ansteuert und die via Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts bestimmten Kohlefaserrichtungen auswertet. Die Steuerung 58 würde beispielsweise den Manipulator oder Roboter 50 so ansteuern, dass die Vorrichtung 20 die Faserrichtung der Kohlefaserlage 56 bestimmen kann, d.h. dass das Objekts 10 beleuchtet ist und im Visier des Polarisationssensors 24 steht. Unter dieser Kenntnis von Lage des Objekts relativ zum Polarisationssensor bei Erfassung der Polarisationsrichtung und erfasster Polarisationsrichtung würde dann die Steuerung 58 Kenntnis über eine Orientierung der Faserrichtung relativ zu einer Form bzw. Gestalt des Objekts 10 gelangen und könnte beispielsweise den Roboter 54 so ansteuern, dass die aktuelle Kohlefaserlage 56 auf bereits aufeinandergelegte andere Kohlefaserlagen 60 so aufgelegt wird, dass die Faserrichtung der aktuell aufzulegenden Kohlefaserlage 56 mit der Faserrichtung der aktuell freiliegenden Kohlefaserlage einen vorbestimmten Winkel aufweist, der beispielsweise zu einer besonders stabilen Form des Objekts 50 führt. Bei dem Objekt 50 handelt es sich beispielsweise, wie in Fig. 3 angedeutet, um den Rumpf eines Schiffes oder um einen Teil eines Flugzeugkörpers oder einen Teil eines Kraftfahrzeugs. Eine in Fig. 3 mit den gestrichelten Kästchen 60 angedeutete und gegebenenfalls ebenfalls durch die Steuerung 58 gesteuerte Einrichtung 60 könnte dazu vorgesehen sein, die Kohlefaserlagen mit Kunststoff zu versehen, so dass die Kohlefaserlagen nach einem Aushärten des Kunststoffes in dem Kunststoff, der sogenannten Matrix, eingebettet sind. Das Versehen der Kohlefaserlagen mit dem Kunststoff kann einzeln vor dem jeweiligen Auflegen der jeweiligen Lage geschehen, einzeln jeweils nach dem Auflegen der jeweiligen Kohlefaserlage oder für mehrere Kohlefaserlagen zusammen in einem Schritt nach ihrem Aufeinanderlegen.
Vorteilhaft ist an den obigen Ausführungsbeispielen der unmittelbare Erhalt der Informati- on über die Faserrichtung, ohne auf eine Mustererkennung oder dergleichen angewiesen zu sein. Die gemessene Polarisationsrichtung ergibt unmittelbar die Faserrichtung an dem jeweiligen Ort des zu prüfenden Objekts und die Vermessung kann deshalb schnell und zuverlässig durchgeführt werden und verzögert insbesondere die Herstellung in dem Fall von Fig. 3 nicht.
Obige Ausführungsbeispiele beruhen also anders ausgedrückt darauf, dass Kohlefasern die Eigenschaft haben, einfallendes, im Allgemeinen nicht polarisiertes Licht teilweise zu reflektieren und dabei parallel zur Faserlängsrichtung zu polarisieren. Diese Eigenschaft des polarisierenden Verhaltens wird bei obigen Ausführungsbeispielen genutzt, um die Faser- richtung zu bestimmen. Dazu wird eine bildhafte Messung der Polarisation verwendet. Mittels einer Vorrichtung, die zu einer solchen bildhaften Messung geeignet ist, wird das von den Kohlefasern, wie z.B. eines Kohlefasergewebes, reflektierte Licht hinsichtlich der Richtung der Polarisationsrichtung analysiert. Das Ergebnis stellt dann direkt die Richtung der Kohlefasern am entsprechenden Ort dar. Die Vorrichtung kann zur bildhaften, zweidimensionalen Erfassung und Analyse des polarisierten Lichts geeignet sein, wie es Bezug nehmend auf Fig. 2 beschrieben wurde, die eine polarisationssensitive Kamera bzw. eine „Polarisationskamera" zeigt. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird also das zu prü- fende Objekt aus Kohlefasern von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet, wobei eine Polarisationskamera auf das Objekt gerichtet ist. Die an jedem Ort des Objekts von der Kamera gemessene Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts gibt direkt die Richtung der Kohlefaser an diesem Ort an. Die Wellenlänge des Lichts kann beispielsweise in dem Bereich von 400 bis 1000 nm liegen. Wie es oben bereits hervorgehoben worden ist, ist es vorteilhafterweise nicht nötig, dass die Auflösung der Kamera so hoch ist, dass die Fasern im Einzelnen erkannt werden müssen, um die Richtung der Fasern per Software berechnen zu können. Im Gegenteil polarisieren die Fasern selbst das Licht in Faserlängsrichtung und die Kamera muss lediglich in der Lage sein, die Polarisation ortsaufgelöst analysieren zu können. Das bedeutet, dass in dem Fall von Fig. 2 die Pixelauflösung der Kamera deutlich niedriger sein kann als in dem Fall der in der Beschreibungseinleitung der vorliegenden Anmeldung erwähnten Verfahren gemäß c). Das führt aufgrund der geringeren Datenrate und geringem Rechenaufwand zu niedrigeren Systemkosten. Oder, anders betrachtet, kann bei gleichen Kosten in dem Fall der obigen Ausführungsbeispiele in der gleichen Zeit eine größere Fläche an Kohlefasern überprüft werden, was zu einer höheren Stückzahl bei der Stückprüfung führt und damit zu niedrigeren Stückkosten. Ein weiterer Aspekt ist die Tatsache, dass die Erkennung der Faserrichtung aufgrund physikalischer Gesetze erfolgt und nicht durch Berechnungen mittels einer Software, wodurch die Erkennung der Faserrichtung wesentlich sicherer ist. Dies gilt insbesondere bei mit Kunststoff getränktem Gewebe, bei dem die bisherige Methode c) aus der Beschreibungseinleitung relativ schlecht und ungenau funktioniert.
Allgemein sind die obigen Ausführungsbeispiele in den unterschiedlichsten Technikberei- chen einsetzbar. Denkbar wäre beispielsweise ein Einsatz im Leichtbau, wo Kohlefasern zu sogenannten CFK (kohlefaserverstärkten Kunststoffen) verarbeitet werden und die Qua- lität der Produkte sichergestellt werden muss. Beispiele sind eben die Luft- und Raumfahrt, der Automobilbau, Windkraftanlagen etc.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispie- len können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Ohne darauf im vorhergehenden hingewiesen zu haben, könnte es sein, dass beispielsweise der Computer 26 in Fig. 1 oder eine sonstige Verarbeitungseinrichtung aus der erhaltenen Polarisationsrichtung, die die Polarisationsrichtung zweidimensional in einer Projektion entlang der Richtung anzeigt, entlang welcher das reflektierte Richtung auf den Polarisationssensor 24 trifft, also beispielsweise in der Ebene parallel zur Bildebene der Kamera, eine dreidimensionale Faserrichtung oder eine Faserrichtung in einer Flächenparametrisie- rung der Oberfläche 14 des Objekts 10 bestimmt, indem sie der erfassten Polarisationsrich- tung einen Ort in einer Parametrisierung der Oberfläche 14 des Objekts 10 zuordnet und die Faserrichtung so bestimmt, dass sie in diesem Punkt tangential zur Oberfläche 14 und in der Ebene liegt, die durch die Richtung des reflektierten Lichts und die bestimmte Polarisationsrichtung aufgespannt wird. Natürlich könnte auch schon dafür gesorgt werden, dass die Oberfläche 14 - beispielsweise zumindest am aktuell abgetasteten Ort - im We- sentlichen senkrecht zur Richtung des reflektierten Lichts ausgerichtet ist.
Obige Ausführungsbeispiele konzentrierten sich bisher auf die Messung von Faserrichtungen und die Ausnutzung der dadurch gewonnen Kenntnis zu Zwecken der Handhabung Ausrichtung des Objekts gegenüber anderen Objekten. Es ist allerdings zusätzlich oder alternativ möglich, die Kenntnis zu anderen Zwecken zu verwenden, wie z.B. zu Zwecken der Qualitätskontrolle. Die polarisierende Wirkung von Kohlefasern auf reflektiertes Licht kann verwendet werden, um die Richtung der Kohlefasern während der Fertigung von kohlefaserverstärkten Bauteilen zu prüfen und mit vorgegebenen Werten zu vergleichen. Nicht nur an Zwischenprodukten, wie z.B. den einzelnen Kohlefaserlagen, sondern auch an ferti- gen Bauteilen kann diese Prüfung durchgeführt werden. Es kann insbesondere geprüft werden, ob die Winkel der Kohlefasern in dem Bauteil bzw. Objekt an jeder Stelle des Bauteils einen vorgeschriebenen Wert haben, oder ob die gegenseitige Ausrichtung der Fasern in einem Gewebe an jeder Stelle einen vorgeschriebenen Winkelwert aufweist. Somit könnte in Fig. 1 beispielsweise der Computer 26 auch als Analyseeinrichtung fungieren, wie z.B. durch eine entsprechende darauf ablaufende Software, und die Vorrichtung 20 könnte eine Qualitätsmessvorrichtung darstellen. Die Analyseeinrichtung könnte prüfen, ob die ermittelte Faserrichtung in eine vorbestimmten Bedingung erfüllt, um, wenn ja, das Objekt 10 als von ausreichender Qualität einzustufen und, wenn nicht, das Objekt 10 als von nicht ausreichender Qualität einzustufen. Je nach dem, kann die Analyseeinrichtung einen Manipulator veranlassen, das Objekt 10 zu einem Ort A für Ausschuss-Objekte oder zu einem Ort B zu transportieren, wie z.B. einem Montage-Ort.
Die Überprüfung, ob die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, sieht beispielsweise ein Vergleich der Faserrichtung an einer Position der Oberfläche 14 des Objekts mit einer benachbarten Position vor, wie z.B. die Überprüfung, ob der Winkel zwischen beiden Richtungen in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt. Die Auswertung kann auch statistisch erfol- gen: ein Histogramm von Faserrichtungen an abgetasteten Positionen der Oberfläche des Objekts wird erstellt und statistisch überprüft. Beispielsweise werden zwei Modi bestimmt und überprüft, ob der Winkelabstand zwischen beiden Modi in einem vorbestimmten Bereich liegt. Die Überprüfung, ob die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, könnte aber auch zusätzlich oder alternativ eine charakteristische Oberflächenrichtung des Objekts 10 miteinbeziehen, wie z.B. eine Kante, eine Hauptkrümmung oder ein Umfang der Oberfläche 14. Es könnte dann überprüft werden, ob die Faserrichtung relativ zu der charakteristischen Oberflächen- richtung in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt. Die charakteristische Oberflächen- richtung könnten durch die Analyseeinrichtung per Mustererkennung automatisch erkannt werden. Die automatische Erkennung könnte insbesondere anhand einer polarisationsunabhängigen Aufnahme des Objekts 10 durchgeführt werden. Im Fall der Verwendung einer Kamera als Teil des Polarisationssensors 24 ist dies ohne weiteres möglich. Abschließend wird noch zu obigen Ausführungsbeispielen darauf hingewiesen, dass es ebenfalls sein könnte, dass die Lichtquelle nicht Teil der Vorrichtung bzw. des Systems ist, sondern gegebenenfalls Teil der Umgebung ist. In anderen Worten ausgedrückt, könnte das Umgebungslicht selbst genutzt werden. Wir oben beschrieben könnte die Auswertung der Polarisierenden Wirkung dennoch auf einen Wellenlängenbereich, wie z.B. in dem oben angegebenen bevorzugten Wellenlängenbereich, eingegrenzt werden, indem das von dem Objekt reflektierte Licht nicht nur in dem Polarisationssensor hinsichtlich seiner Polarisation zerlegt, sondern auch spektral gefiltert wird. Das Durchlassband des Spektralfilters könnte also insbesondere in dem Bereich zwischen 400 und 1000 nm liegen und eine Halbwertsbreite von kleiner oder gleich lOOnm besitzen.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Das gilt vor allem für die oben erwähnten Verarbeitungseinrichtung, Steuerungen, Analyseeinrichtungen usw. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektro- nisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro- grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespei- chert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchfuhren eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfanger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Compute rogramms zu dem Empfänger umfassen. Bei manchen Ausfuhrungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu- führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausfuhrungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausfuhrungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Messung einer Faserrichtung (36A,B) eines Kohlefaserwerkstoffes (18) eines zu prüfenden Objekts (10), mit einem Polarisationssensor (24) zum Erfassen einer Polarisationsrichtung (34A,B) eines von dem zu prüfenden Objekt (10) reflektierten Lichts (32), wobei die Polarisationsrichtung die Faserrichtung angibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , die ferner eine Lichtquelle (22) zur Beleuchtung des zu prüfenden Objekts (10) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Lichtquelle ausgebildet ist, um das zu prüfende Objekt 10 mit Licht 30 zu beleuchten, das in einem Bereich zwischen 400 und 1000 nm liegt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Polarisationssensor (24) eine polarisationssensitive Kamera zur Aufnahme des zu prüfenden Objekts (10), um eine ortsaufgelöste Erfassung der Polarisationsrichtung und damit eine ortsaufgelöste Abtastung der Faserrichtung zu erhalten, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die polarisationssensitive Kamera ein Pixel- Array (38) und ein Objektiv (40) zum Abbilden des zu prüfenden Objekts (10) auf das Pixel-Array (38) aufweist, wobei Pixel (44) des Pixel- Arrays (38) in Super- pixel (46) gruppiert sind, so dass jedes Superpixel (46) Pixel (44) des Pixel -Arrays (38) aufweist, die für unterschiedliche Polarisationsrichtungen sensitiv sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der jedes Pixel einen photo sensitiven Bereich und eine dem photosensitiven Bereich vorgeschaltete Polarisationsfilterstruktur aufweist, wobei die Filterstruktur ein Gitter oder Strukturelemente mit Abmessungen im Subwellenlängenbereich aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Vorrichtung ausgebildet ist, die ortsaufgelöste Abtastung der Faserrichtung farbcodiert auszugeben.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner einen Spektralfilter zum spektralen Filtern des von dem Objekt reflektierten Lichts aufweist, dessen Polarisationsrichtung von dem Polarisationssensor (24) erfasst wird.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der ein Durchlassband des Spektralfilters in einem Bereich zwischen 400 und 1000 nm liegt.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist, um abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts (10) relativ zu dem Polarisationssensor (24) und der Faserrichtung des Objekts einen Manipulator zum Halten und Verändern der Lage des Objekts zu steuern.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Steuerung (26) aufweist, die ausgebildet ist, um abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts (10) relativ zu dem Polarisationssensor (24) und der Faserrichtung des Objekts einen Manipulator zum Aneinanderlegen des Objekts und eines anderen Objekts zu steuern, so dass im aneinandergelegten Zustand die
Faserrichtung relativ zu dem anderen eine vorbestimmte Orientierung aufweist.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorrichtung eine Steuerung (26) aufweist, die abhängig von Lageinformationen über eine Lage des Objekts (10) relativ zu dem Polarisationssensor (24) und der Faserrichtung des
Objekts eine Orientierung der Faserrichtung relativ zu einer Gestalt des Objekts (10) bestimmt.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um aus der erfassten
Polarisationsrichtung eine dreidimensionale Faserrichtung oder eine Faserrichtung in einer Flächenparametrisierung einer Oberfläche (14) des Objekts (10) so zu bestimmen, dass die bestimmte Faserrichtung tangential zur Oberfläche (14) und in einer Ebene liegt, die durch eine Richtung des reflektierten Lichts und die erfasste Polarisationsrichtung aufgespannt wird
14. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung eine Analyseeinrichtung (26) aufweist, die ausgebildet ist, um zu überprüfen, ob die Faserrichtung eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, um eine Qualität des Objekts zu überprüfen.
15. System zur Herstellung eines Objekts in Kohlefaserverbundbauweise, mit einer Vorrichtung (20) zur Messung einer Faserrichtung einer Kohlefaserlage (56) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14; und einem Manipulator (54) zum Aufeinanderlegen der Kohlefaserlagen unter Justage der Faserrichtungen der Kohlefaserlagen gemäß der Messung durch die Vorrichtung (20).
16. System gemäß Anspruch 15, das ferner eine Einrichtung (60) zum Versehen der Kohlefaserlagen mit Kunststoff aufweist, so dass die Kohlefaserlagen nach einem Aushärten des Kunststoffes in dem Kunststoff eingebettet sind.
17. Verfahren zur Messung einer Faserrichtung (36A,B) eines Kohlefaserwerkstoffes (18) eines zu prüfenden Objekts (10), mit
Beleuchten des zu prüfenden Objekts (10); und
Erfassen einer Polarisationsrichtung (34a,B) eines von dem zu prüfenden Objekt (10) reflektierten Lichts (32), wobei die Polarisationsrichtung die Faserrichtung angibt.
18. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17, wenn das Programm auf einem Computer abläuft
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